互斥与同步

一、实验目的

(1) 回顾操作系统进程、线程的有关概念，加深对 Windows 线程的理解。
(2) 了解互斥体对象，利用互斥与同步操作编写生产者-消费者问题的并发程序，加深对 P (即semWait)、 V(即 semSignal)原语以及利用 P、 V 原语进行进程间同步与互斥操作的理解。

二、总体设计

2.1 设计步骤

（1）生产者消费者问题

    步骤 1：创建一个“Win32 Consol Application”工程，然后拷贝清单 3-1 中的程序，编译成可执行文件。
    步骤 2：在“命令提示符”窗口运行步骤 1 中生成的可执行文件，列出运行结果。
    步骤 3：仔细阅读源程序，找出创建线程的 WINDOWS API 函数，回答下列问题：线程的第一个执行函数是什么（从哪里开始执行）？它位于创建线程的 API 函数的第几个参数中？
    步骤 4：修改清单 3-1 中的程序，调整生产者线程和消费者线程的个数，使得消费者数目大与生产者，看看结果有何不同。察看运行结果，从中你可以得出什么结论？
    步骤 5：修改清单 3-1 中的程序，按程序注释中的说明修改信号量 EmptySemaphore 的初始化方法，看看结果有何不同。
    步骤 6：根据步骤 4 的结果，并查看 MSDN，回答下列问题：
    1）CreateMutex 中有几个参数，各代表什么含义。
    2）CreateSemaphore 中有几个参数，各代表什么含义，信号量的初值在第几个参数中。
    3）程序中 P、V 原语所对应的实际 Windows API 函数是什么，写出这几条语句。
    4）CreateMutex 能用 CreateSemaphore 替代吗？尝试修改程序 3-1，将信号量 Mutex 完全用CreateSemaphore 及相关函数实现。写出要修改的语句。

三、详细设计

清单3-1：

#include <windows.h>
#include <iostream>
const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 2; //缓冲区长度
unsigned short ProductID = 0; //产品号
unsigned short ConsumeID = 0; //将被消耗的产品号
unsigned short in = 0; //产品进缓冲区时的缓冲区下标
unsigned short out = 0; //产品出缓冲区时的缓冲区下标
int buffer[SIZE_OF_BUFFER]; //缓冲区是个循环队列
bool p_ccontinue = true; //控制程序结束
HANDLE Mutex; //用于线程间的互斥
HANDLE FullSemaphore; //当缓冲区满时迫使生产者等待
HANDLE EmptySemaphore; //当缓冲区空时迫使消费者等待
DWORD WINAPI Producer(LPVOID); //生产者线程
DWORD WINAPI Consumer(LPVOID); //消费者线程
int main()
{
//创建各个互斥信号
//注意，互斥信号量和同步信号量的定义方法不同，互斥信号量调用的是 CreateMutex 函数，同步信号量调用的是 CreateSemaphore 函数，函数的返回值都是句柄。
Mutex = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);// 指向安全属性的指针  // 初始化互斥对象的所有者  // 指向互斥对象名的指针
//EmptySemaphore = CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER,SIZE_OF_BUFFER,NULL); //该参数定义了信号量的安全特性，设置信号量的初始计数。设置信号量的最大计数    指定信号量对象的名称。
//将上句做如下修改，看看结果会怎样
EmptySemaphore = CreateSemaphore(NULL,1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL);
FullSemaphore = CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER,NULL);
//调整下面的数值，可以发现，当生产者个数多于消费者个数时，
//生产速度快，生产者经常等待消费者；反之，消费者经常等待
const unsigned short PRODUCERS_COUNT = 2; //生产者的个数
const unsigned short CONSUMERS_COUNT = 1; //消费者的个数
//总的线程数
const unsigned short THREADS_COUNT = PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT;
HANDLE hThreads[THREADS_COUNT]; //各线程的 handle
DWORD producerID[PRODUCERS_COUNT]; //生产者线程的标识符
DWORD consumerID[CONSUMERS_COUNT]; //消费者线程的标识符
//创建生产者线程
for (int i=0;i<PRODUCERS_COUNT;++i){
hThreads[i]=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producerID[i]);//线程安全属性，堆栈大小，线程函数，线程参数，线程创建属性，线程ID
if (hThreads[i]==NULL) return -1;
}
//创建消费者线程
for (i=0;i<CONSUMERS_COUNT;++i){
hThreads[PRODUCERS_COUNT+i]=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumerID[i]);
if (hThreads[i]==NULL) return -1;
}
while(p_ccontinue){
if(getchar()){ //按回车后终止程序运行
p_ccontinue = false;
}
}
return 0;
}
//生产一个产品。简单模拟了一下，仅输出新产品的 ID 号
void Produce()
{
std::cout << std::endl<< "Producing " << ++ProductID << " ... ";
std::cout << "Succeed" << std::endl;
}
//把新生产的产品放入缓冲区
void Append()
{
std::cerr << "Appending a product ... ";
buffer[in] = ProductID;
in = (in+1)%SIZE_OF_BUFFER;
std::cerr << "Succeed" << std::endl;
//输出缓冲区当前的状态
for (int i=0;i<SIZE_OF_BUFFER;++i){
std::cout << i <<": " << buffer[i];
if (i==in) std::cout << " <-- 生产";
if (i==out) std::cout << " <-- 消费";
std::cout << std::endl;
}
}
//从缓冲区中取出一个产品
void Take()
{
std::cerr << "Taking a product ... ";
ConsumeID = buffer[out];
buffer[out] = 0;
out = (out+1)%SIZE_OF_BUFFER;
std::cerr << "Succeed" << std::endl;
//输出缓冲区当前的状态
for (int i=0;i<SIZE_OF_BUFFER;++i){
std::cout << i <<": " << buffer[i];
if (i==in) std::cout << " <-- 生产";
if (i==out) std::cout << " <-- 消费";
std::cout << std::endl;
}
}
//消耗一个产品
void Consume()
{
std::cout << "Consuming " << ConsumeID << " ... ";
std::cout << "Succeed" << std::endl;
}
//生产者
DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara)
{
while(p_ccontinue){
WaitForSingleObject(EmptySemaphore,INFINITE); //p(empty);
WaitForSingleObject(Mutex,INFINITE); //p(mutex);
Produce();//生产一个产品。简单模拟了一下，仅输出新产品的 ID 号
Append();//把新生产的产品放入缓冲区
Sleep(1500);
ReleaseMutex(Mutex); //V(mutex);
ReleaseSemaphore(FullSemaphore,1,NULL); //V(full);
}
return 0;
}
//消费者
DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara)
{
while(p_ccontinue){
WaitForSingleObject(FullSemaphore,INFINITE); //P(full);
WaitForSingleObject(Mutex,INFINITE); //P(mutex);
Take();//从缓冲区中取出一个产品
Consume();//消耗一个产品
Sleep(1500);
ReleaseMutex(Mutex); //V(mutex);
ReleaseSemaphore(EmptySemaphore,1,NULL); //V(empty);
}
return 0;
}

四、实验结果与分析

步骤二运行结果：

步骤三：

线程的第一个执行函数是Producer();。它位于创建线程的 API 函数的第三个参数中。

步骤四：

调整生产者和消费者的数值，可以发现，当生产者个数多于消费者个数时，生产速度快，生产者经常等待消费者；反之，消费者经常等待。

步骤五：

按程序注释中的说明修改信号量 EmptySemaphore 的初始化方法，第一个和第四个参数一般都是NULL，第二个参数决定了初始值大小，第三个参数决定了最大值为多少。

步骤六：

CreateMutex函数参数含义分别是：指向安全属性的指针、初始化互斥对象的所有者、指向互斥对象名的指针。

CreateSemaphore函数参数含义分别是：指向安全属性的指针、设置信号量的初始计数、设置信号量的最大计数、指定信号量对象的名称。信号量的初值为第2个参数中。

程序中 P、V 原语所对应的实际 Windows API 函数是 WaitForSingleObject ()、 ReleaseMutex ()和 ReleaseSemaphore ()。代码中的语句：

WaitForSingleObject(EmptySemaphore,INFINITE);

WaitForSingleObject(Mutex,INFINITE);

ReleaseMutex(Mutex);

ReleaseSemaphore(FullSemaphore,1,NULL);

ReleaseSemaphore(EmptySemaphore,1,NULL);

可以使用CreateSemaphore 来替代CreateMutex。因为达到的效果一致。

Mutex = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL)；

改为Mutex = CreateSemaphore(NULL,1,1,NULL);

生产者，消费者内： ReleaseMutex(Mutex);

改为 ReleaseSemaphore(Mutex,1,NULL);

五、小结与心得体会

通过本实验加深了我对 Windows 线程的理解。了解了互斥体对象，利用互斥与同步操作编写生产者-消费者问题的并发程序，加深对 P (即semWait)、 V(即 semSignal)原语以及利用 P、 V 原语进行进程间同步与互斥操作的理解。

猜你喜欢